System Erde Eine Einführung Materialien

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1 Das Systemkonzept Ein System besteht aus Elementen, die miteinander in Beziehungen stehen (Abb. 1). Systeme sind veränderlich. Blicken wir aus dem Fenster, sehen wir einen Ausschnitt des Systems Erde zu einem bestimmten Zeitpunkt, z. B. Bäume, Luft und Wasser. Es handelt sich um Elemente dieses Systems, die miteinander in Beziehung stehen: Bäume tauschen mit der Luft über Atmung und Fotosynthese Sauerstoff und Kohlensoffdioxid aus. Mit den Wurzeln nehmen sie Wasser auf und über die Blätter geben sie Wasserdampf ab. Der Blick zeigt eine Momentaufnahme aus einem Prozess der laufenden Änderung des Systems: Bäume wachsen, die Luftbewegungen und die Wasserverfügbarkeit ändern sich ständig. Bei Systemen ist es häufig sinnvoll, die Makro- und die Mikroebene zu unterscheiden: Unter der Makroebene versteht man das System als Ganzes (z. B. die ganze Erde), während als Mikroebene einzelne Systemelemente (z.b. die Sphären) bezeichnet werden. Die Zuordnung eines Systems zu einer solchen Ebene ist abhängig von der Fragestellung. So können z. B. die Wurzeln eines Baumes eine sinnvolle Makroebene bei der Betrachtung des Zusammenwirkens von Zellen bei der Wasser- bzw. Nährstoffaufnahme darstellen. Wurzeln müssen aber zur Mikroebene gezählt werden, wenn man den Wasserhaushalt des ganzen Baumes untersucht. Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Systems. Ein System existiert in einer Systemumwelt. Es besteht aus Elementen, die in bestimmten Beziehungen zueinander stehen. Eine Systemgrenze trennt das System von der Systemumwelt. Es gibt Beziehungen zwischen Elementen des Systems und Elementen der Systemumwelt (Input bzw. Output). Das in der Mitte dargestellte System liegt bezogen auf das links dargestellte auf der Mikroebene, bezogen auf das System rechts aber auf der Makroebene. Seite 1

2 Phänomene der Selbstorganisation zählen zu den möglichen unerwarteten Beobachtungen auf der Makroebene. So entstehen zum Beispiel bei Erwärmung einer Flüssigkeitsschicht auf dem Herd unter bestimmten Bedingungen spontan sechseckige Konvektionszellen. Dieses Phänomen kann man nicht über das Verhalten von einzelnen Molekülen der Flüssigkeit erklären. Man nimmt an, dass auch die Entstehung des Lebens ein solches Phänomen der Selbstorganisation ist. Systemanalyse Bei der Systemanalyse konstruiert der Systembetrachter ein Modell. Dieses bildet eine Auswahl von Elementen und Beziehungen des Systems ab, die für eine bestimmte Fragestellung relevant sind. Beispielsweise lässt ein Plastikmodell des Holzes eines Baumes nur Aussagen über die Struktur verschiedener Gewebe des Baumes und deren Lagebeziehungen zu, nicht aber über die Zellen, aus denen die Gewebe aufgebaut sind. Ein Systemmodell stellt damit ein begrenztes Abbild eines Originals dar. Es ist eine idealisierte und abstrahierte Darstellung, die Struktureigenschaften oder Funktionsweisen des Systems verständlich macht. Mit Hilfe eines Systemmodells lassen sich auch hypothetische Aussagen über Elemente und Beziehungen eines real vorhandenen Systems machen, die einer unmittelbaren Erforschung nicht oder noch nicht zugänglich sind. Dies galt z.b. für das Modell der Plattentektonik, als es von Alfred Wegener entwickelt wurde. Die Aussagen des Modells konnten später anhand von geologischen Befunden überprüft werden. Kommt es zu guten Übereinstimmungen mit empirischen Befunden, kann ein Modell zu Prognosen über die zukünftige Entwicklung von Systemen eingesetzt werden. Eine Systemanalyse umfasst folgende Arbeitsschritte: Abgrenzung des Systems von der Systemumwelt; Identifizierung (relevanter) Systemelemente; Identifizierung (relevanter) Beziehungen (Wirkungen und Flüsse) zwischen den Elementen; Identifizieren der Systemeigenschaften; Identifizierung der Beziehungen des Systems zu anderen Systemen Die Ergebnisse der Analyse können in graphischer Form z.b. durch Concept Maps und/oder Stofffluss- bzw. Wirkungsdiagramme dargestellt werden. Diese Ergebnisse sind die Basis für eine Modellierung des Systems und für die Erarbeitung von Szenarien der zukünftigen Entwicklung. Bestimmte Modelle, z.b. der Klimaentwicklung, dienen als Basis für politische Entscheidungen. Beispiel: Familie als System Am Beispiel des Systems Familie sollen die Schritte einer Systemanalyse verdeutlicht werden. Ein erster Schritt zur Analyse des Systems "Familie" ist die Identifikation der Systemgrenze und der relevanten Systemelemente. Der Blickwinkel, unter dem man dieses System betrachtet, bestimmt den Verlauf der Systemgrenze. Er legt weiterhin fest, welche Elemente als relevant angesehen werden. Steht beispielsweise die Kommunikation innerhalb der Familie im Mittelpunkt der Betrachtung, kommen alle die Personen der Familie in Betracht, die miteinander reden. Dabei ist die Frage der verwandtschaftlichen Nähe nicht allein ausschlaggebend. So ist z.b. auch eine seit Jahren angestellte Haushälterin, die jeden Tag mit der Familie verbringt, hinsichtlich des Kriteriums Kommunikation ein relevantes Element des Systems Seite 2

3 Familie. Und sogar Haustiere können unter diesem Blickwinkel für die Funktion des Systems Familie als Kommunikationssystem wichtig sein. Unter der Fragestellung Erbschaft ist die Haushälterin normalerweise jedoch kein relevantes Element des Systems Familie. Umgekehrt gibt es vielleicht Familienmitglieder, die unter dem Aspekt der Kommunikation keine Rolle im System spielen, aber bei Fragen der Erbschaft zu relevanten Systemelementen werden. In einem weiteren Schritt der Systemanalyse geht es um die Identifikation relevanter Beziehungen zwischen den Elementen in dem komplexen und stark vernetzten System Familie gibt es eine Vielzahl von Wirkungsbeziehungen und sogar Stoffflussbeziehungen: Ein Beispiel für Wirkungsbeziehungen innerhalb des Systems Familie ist das Stressverhalten. Beruflicher Stress der Eltern kann sich negativ auf das Wohlbefinden anderer Familienmitglieder auswirken. Andererseits kann die Gelassenheit der Kinder den Stress von Vater oder Mutter mindern, was wiederum das Wohlbefinden anderer Familienmitglieder steigern kann. Die Geldflüsse zwischen den Familienmitgliedern sind ein Beispiel für Stoffflüsse, die das System Familie kennzeichnen. Geld kann von den Eltern auf die Kinder in Form von Taschengeld übergehen, die Großeltern geben den Kindern zusätzlich von Zeit zu Zeit Geld. Kinder leihen sich untereinander oder auch den Eltern Geld. Am Beispiel der Geldflüsse in der Familie kann außerdem der Aspekt der Verbindung zwischen verschiedenen Systemen verdeutlicht werden: So wird das Geld, dass innerhalb der Familien fließt, dem System beispielsweise von Seiten der Arbeitgeber der Eltern zugeführt. Die Betriebe, in denen die Eltern arbeiten, sind auf diese Weise mit dem System Familie verknüpft. Schließlich lassen sich verknüpfte Systeme z.t. in Hierarchien einordnen. So sind in unserem Beispiel die beiden Systeme Familie und Betrieb in ein Wirtschaftssystem eingeordnet, das hierarchisch den beiden Systemen übergeordnet ist. Wie kann man Systeme darstellen? Darstellungen von Systemen geben die Struktur, d.h. die Elemente und die Beziehungen zwischen diesen Elementen, wieder. Systeme können z.b. durch Anschauungsobjekte, graphisch oder mathematisch dargestellt werden. Jede dieser Darstellungsformen stellt einen spezifischen Aspekt des Systems heraus. Die Wahl der geeigneten Darstellungsform hängt von dem Ziel ab, das mit der Analyse eines Systems verfolgt wird. Eine wesentliche Rolle spielen graphische Systemdarstellungen (Fluss- und Wirkungsdiagramme). Diese Darstellungsformen sind in besonderer Weise geeignet, die spezifische Struktur komplexer Systeme wiederzugeben. Flussdiagramme geben an, wie Stoffe oder Energie in einem System fließen oder umgewandelt werden. Die Flüsse zwischen Systemelementen werden durch Pfeile dargestellt. Die Pfeile geben an, in welche Richtung die Flüsse oder Umwandlungen erfolgen. Diese können qualitativ oder quantitativ dargestellt werden. Von besonderem Interesse für die Geowissenschaften sind biogeochemische Stoffkreisläufe. In qualitativer Hinsicht haben die Pfeile die Bedeutung fließt in Richtung..., wird umgewandelt zu... (Abb. 2). Bei einer quantitativen Darstellung werden Systemelementen spezielle Systemgrößen, sogenannte Zustandsgrößen, zugeordnet. Sie dienen dazu, Aussagen über den Zustand des Systems zu treffen. Seite 3

4 Wirkungsdiagramme bilden die Wirkungsbeziehungen (kausale Beziehungen) zwischen Systemelementen durch Pfeile ab. Sie verlaufen in die Richtung der Wirkung und können ebenfalls qualitativ und quantitativ dargestellt werden: In qualitativer Hinsicht haben die Pfeile die Bedeutung wirkt auf. Von besonderem Interesse für die Geowissenschaften sind die Wirkungen der einzelnen Komponenten in den biogeochemischen Kreisläufen. Das Wirkungsdiagramm in Abbildung 3 zeigt qualitativ exemplarische Wirkungen einzelner Komponenten aus dem Klimasystem. Abbildung 2: Dieser Ausschnitt aus dem Wasserkreislauf ist ein Beispiel für ein qualitatives Stoffflussdiagramm: Wassermoleküle aus dem Meer werden durch Verdunstung und Kondensation Bestandteil der Wolken und gelangen über den Niederschlag wieder in das Meer und in die Flüsse. Seite 4

5 Abbildung 3: Dieser Ausschnitt des Klimasystems ist ein Beispiel für ein qualitatives Wirkungsdiagramm: Mangroven wirken auf die Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Atmosphäre, welche den Treibhauseffekt und damit die Temperatur in der erdnahen Atmosphäre beeinflusst. Die Temperatur wirkt auf das Schmelzen bzw. Wachsen der Gletscher, was wiederum den Meeresspiegel beeinflusst. Aufgaben: 1) Kennzeichnen Sie alle Begriffe in ihrer Begriffslandkarte nach Zugehörigkeit zu den entsprechenden Sphären farbig. 2) Identifizieren Sie in Ihrer Begriffslandkarte je ein Beispiel für einen Stofffluss und für eine Wirkung und erstellen Sie je ein Stofffluss- und ein Wirkungsdiagramm. Seite 5